CN101745524A - 一种钝化修复土壤镉污染的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种土壤改良的方法，具体为一种钝化修复土壤镉污染的方法。方法是向土壤中加入富含巯基的植物残体，具体包括三步：第一步，将富含巯基的植物残体粉碎，使残体长度小于10厘米；第二步，将第一步所得植物残体加入待修复的土壤中并混合，所加比例为1重量份的待修复土壤加入至少相当于0.001重量份的新鲜植物残体的植物残体；第三步，使加入植物残体的土壤的含水量在20-40天内保持在最大田间持水量的50％以上。所述的富含巯基的植物残体为十字花科植物残体或百禾科植物残体。与现有技术相比，本发明的有益效果表现为对环境友好，修复费用低，不影响耕地生产而且还能增加土壤肥力，提高土壤有机质含量，提升土地生产力。

Description

一种钝化修复土壤镉污染的方法

技术领域

本发明涉及一种土壤改良的方法，具体涉及一种钝化修复土壤镉污染的方法。

背景技术

当前我国农产品质量与安全问题，越来越引起社会的广泛关注，土壤重金属污染是农产品不安全的一个主要源头。目前，我国重金属污染土壤超过3亿亩，每年仅因重金属污染的粮食达1200万吨，造成的直接经济损失超过200亿元。在土壤重金属污染修复技术当中，一些创新性的修复技术，如玻璃化、固体化、土壤冲洗、动电修复等技术发展很快，但这些技术主要是用于对重金属污染强度较大的土壤进行治理，这些方法的缺点是不但成本过高，而且在修复过程中土地不能再进行粮食生产。而我国农业土壤重金属污染面积虽然很大，但除少数特殊地点外，总的污染程度不是非常严重，没有达到不能进行粮食生产的程度，另一方面我国人口多耕地少，不可能将现有的耕地大面积不生产粮食而专门进行污染的修复，在我国很多有重金属污染的土地依然进行着粮食生产，也因此带来粮食安全问题。

发明内容

为了克服上述现有技术中的不足，本发明提供一种环境友好，费用低，不影响耕地生产的钝化修复土壤镉污染的方法。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种钝化修复土壤镉污染的方法，向有镉染污的土壤中加入富含巯基的植物残体。

本发明的另一个技术方案是包括以下步骤：

第一步，将富含巯基的植物残体粉碎，使残体长度小于10厘米；

第二步，将第一步所得植物残体加入待修复的土壤中并混合，所加比例为1重量份的待修复土壤加入至少0.001相当于重量份的新鲜植物残体的植物残体；

第三步，使加入植物残体的土壤的含水量在20-40天内保持在最大田间持水量的50％以上。

上述的富含巯基的植物残体为十字花科植物残体或百禾科植物残体。

上述十字花科植物残体为油菜残体、芥菜残体或甘蓝残体，所述百合科植物残体为苗蒜残体、大葱残体或韭菜残体。

上述富含巯基的植物残体为植物新鲜残体、植物风干残体或植物烘干残体。

上述的残体的长度为小于1厘米。

上述待修复的土壤与植物残体的比例为1重量份的土壤加入相当于0.001-0.02重量份新鲜植物残体的植物残体。

上述土壤的含水量保持在最大田间持水量的70-90％。

与现有技术中的土壤镉污染的修复方法相比，本发明采用上述技术方案的有益效果在于：

本发明提供一种环境友好，费用低，不影响耕地生产的钝化修复土壤镉污染的方法。

1、修复效果好，适合大面积面镉污染的修复，不产生二次污染，对环境友好，修复费用低，不影响耕地生产，很适合我国大多数土壤重金属镉污染的修复。

2、不但能修复土壤重金属污染，而且还能增加土壤肥力，提高土壤有机质含量，提升土地生产力。

附图说明

图1为本发明在2mg.kg^-1Cd污染土壤中的对比试验柱状图；

图2为本发明在2mg.kg^-1Cd污染土壤中添加有玉米秸秆的对比试验柱状图；

图3为本发明在5mg.kg^-1Cd污染土壤中的对比试验柱状图；

图4为本发明在5mg.kg^-1Cd污染土壤中添加有玉米秸秆的对比试验柱状图；

图5为本发明加入不同含量的蒜苗残体的对比试验柱状图；

图6为图5中添加有玉米秸秆的对比试验柱状图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步的详细说明。以下各实施例仅仅是用于说明内容而不是限制本发明的保护范围。

实施例1

大蒜苗残体、油菜残体和玉米秸杆对重金属镉(Cd)污染土壤的修复及其效果：

1、试验材料与方法

(1)土壤处理：

将土壤分别过1mm筛(化学提取试验用)，设置土壤镉污染等级为2mg.kg^-1Cd、5mg.kg^-1，平衡培养老化，约一个月时间。

(2)钝化材料的制备：

a.植物新鲜残体：大蒜苗、油菜、玉米秸杆粉碎成长度在1cm以下的残体。

b.大蒜苗、油菜75℃烘干样品和大蒜苗、油菜28℃自然风干样品，将风干样品研碎过20目筛。

(3)方法：

称取2.0g、2mg.kg^-1Cd土壤，加入新鲜植物残体0.02g，所加风干样品和烘干样品的干物质含量与0.02g新鲜植物残体的干物质含量相同，也就是加入相当于0.02g新鲜植物残体的风干植物残体或烘干植物残体，其干特质含量相同；按田间最大持水量80％加入去离子水，放置密闭容器，分别放置14d(d代表天数，下同)、28d、56d和112d后，测定可交换态镉含量。

各处理设置重复样品3个。

(4)提取与测试：

交换态提取方法：提取剂为1M醋酸铵溶液，Ph＝7，水土比1∶10，提取时间震荡1小时。测试：石墨炉或者电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)。

参见图1，在2mg.kg^-1Cd污染土壤中，新鲜蒜苗(大蒜地上部分残体)对有效态Cd有较好的钝化固定作用，培养土可交换态Cd含量减少至0.21mg.kg^-1(56d)，按植物鲜重换算其最大吸附固定量为1.55mgkg^-1，与空白对照减少15.1％(14d)～31.1％(56d)，112d时段培养土中有效态Cd减少29.4％。鲜油菜残体也有明显的钝化作用，培养土壤中有效态Cd可减少5.7％(14d)～35.5％(112d)。新鲜蒜苗和油菜残体的钝化效果从14到28d增加明显，与空白对照的降低比例分别增加了2倍和6倍，从28d后钝化效果变化不大。

在2mg.kg^-1Cd污染土壤中，干油菜残体、干蒜苗残体均表现出较好的钝化效果。其中干油菜残体效果最好，培养土中有效态Cd含量减少49.5％(14d)～52.4％(112d)；干蒜苗残体减少18％(14d)～26％(112d)。按含水量同比换算烘干的蒜苗对土壤中有效态Cd的减少效果比例均明显差于相应的新鲜物质，但从单位固定吸附量上看却明显提高，蒜苗残体粉末达到了27mg.kg^-1左右。而烘干油菜粉末在钝化比例和单位吸附量都极显著增加，远大于新鲜油菜作用效果。2％添加浓度的烘干油菜粉，在14天后可使土壤中可交换态Cd含量减少至0.16mg.kg^-1，随培养时间增长钝化效果略有提高，最大单位固定吸附量可达52.4mg.kg^-1(112d)。28℃自然风干蒜苗粉末、油菜粉末在三个时间段培养中减少有效态Cd含量都在30％～40％之间，其中蒜苗粉末较75℃烘干的钝化效果有显著提高。从时间效应上看，干油菜粉末变化很小，干蒜苗粉末有类似变化且也不大。

参见图2，在2mg.kg-1Cd污染土壤中，玉米秸杆入初期(14天内)土壤中有效态镉的含量没有下降，反倒有所升高，这是因为在玉米秸杆加入初期能分解释放出低分子量有机碳，它可以和镉作用形成可溶的络合物，因此促进了有效态镉的释放。因此可以看出，虽然在更较长的时间内玉米秸杆对于修复土壤中镉的污染也有一定的钝化作用，但效果不明显，其钝化效果与蒜苗、油菜相比有显著的差距。

参见图3，在5mg.kg^-1Cd污染土壤中，新鲜蒜苗残体对土壤中有效态Cd含量减少比例为23.6％(28d)～25.7％(112d)，最大吸附固定量为3.21mg.kg^-1，培养时间增加对其钝化效果影响变化不大。新鲜油菜的钝化效果与2mg.kg^-1土壤中表现相似，只是时间效应更不显著。

在5mg.kg^-1Cd污染土壤中，烘干油菜粉末在各培养时段均表现出很好的钝化效果，与空白对照使土壤中可交换态Cd含量降低56.3％(14d)～57.8％(112d)，最大固定吸附量达115.6mg.kg^-1。蒜苗也表现出了较好的钝化效果，降低了20％～30％，但都差于相应的植物鲜样。从时间效应上看，干油菜粉末几乎没有变化，干蒜苗粉末有类似变化但变化范围不大。

参见图4，与图2相似，在5mg.kg^-1Cd污染土壤中，玉米秸秆的使用对土壤中有效态Cd的减少同样不明显，这说明不适合作为修复土壤镉污染来使用。

实施例2

室内盆栽钝化试验条件下，大蒜苗残体、油菜残体和玉米秸杆对在受重金属镉(Cd)污染土壤中生长的作物苗期体内镉含量的影响：

(1)供试土壤：北京昌平试验站褐潮土，过2mm筛。设置土壤镉污染等级为2mg.kg^-1Cd、5mg.kg^-1，平衡培养老化，约一个月时间；

(2)供试钝化剂种类选择：蒜苗残体、玉米秸杆；

(3)供试植物种类选择：黄瓜

(4)方法：蒜苗残体、玉米秸杆(鲜样)添加量设定为0.1％、0.4％、1％(土壤的重量百分比)。生长6周后收获地上生物部分，对其生物量(平均株重)进行测定。105℃杀青，75℃烘干，研磨，称取0.5g左右，浓HNO3消煮，测定植株中Cd含量。测试仪器：石墨炉或者ICP-MS。

各试验设置重复样品4个。

参见图5，在5mg.kg^-1污染土壤组，0.1％、0.4％、1％的蒜苗残体的加入量，分别使植株中Cd含量减少42.6％ 55.5％和59.4％；生物量也较空白对照有所增加，土壤中pH值略有下降。在2mg/kg污染土壤组，蒜苗残体的钝化效果与高浓度污染组比较类似，随着蒜苗残体加入量增大，钝化效果逐渐增大，但是植株体内Cd含量与对照相比，Cd含量下降明显减小。

参见图6，在加入玉米秸秆的污染土壤中，也观察到了植株中Cd含量减少，但钝化效果明显低于加入蒜苗残体的处理，同时在加入玉米秸秆以后，植株生长量也明显增加，对植株体内的Cd也起到了一定的稀释作用，从而在一定程度上降低了植株内Cd含量，但效果非常有限。

实施例3

芥菜残体、甘蓝残体和大葱残体、韭菜残体(均为新鲜植物残体)对重金属镉(Cd)污染土壤的修复及其效果：

处理方法与实施例1的方法相同。试验结果表明上述四种植物残体对于土壤中镉污染的修复均有较好的效果，56天后土壤中有效态镉的减少量均在20％以上，对土壤镉污染有较好的修复作用。

在本发明的实施例子中，大蒜、大葱、韭菜属于百合科植物，残体内富含有机硫，本发明所述植物残体富含巯基指植物残体中巯基含量(干重)达到2.0％以上，蒜苗残体中巯基含量(干重)达(4.44±0.11)％，粉碎和腐解后都会有刺激性气味，其中主要成分是硫化丙烯和硫化丙烷类物质。有研究表明大蒜根部可积累3000mg.kg^-1Cd，同时大蒜的AsPCS基因表达可使CuPI缺失菌株对Cd耐受性提高4倍。油菜、芥菜、甘蓝属于十字花科植物，对硫需要量和吸收量大，对缺硫非常敏感，含有较多的硫代葡萄糖苷物质(简称硫苷)，茎和叶中以2-羟基-3-丁烯基硫苷和苯乙基硫苷为主，其中，油菜残体中巯基含量(干重)达(3.70±0.11)％。硫元素到植物体内形成巯基物质与Cd螯合降低其毒性，在植物体内Cd诱导合成植物络合素(PC)及类金属硫蛋白(MTs)等富含硫的化合物。Cd与PC结合后，被运输至液泡，形成高分子量的复合物，从而使细胞处于无毒化状态。所选这2种新鲜植物残体均富含有巯基(-SH)物质，试验表明富含巯基植物残体在土壤中可有效的与Cd离子螯合，降低有效态Cd的含量。烘干和风干处理对大蒜苗和油菜所含钝化效用物质产生了不同的影响，大蒜苗钝化效果有所下降。自然风干处理粉末的钝化效果要好于相应的烘干处理，可能是加热烘干对其所含物质有改变破坏作用。烘干和风干油菜粉钝化效果却显著增加，说明不同硫基化物质对其处理表现不一。

本发明利用十字花科和其它植物植株富含巯基(-SH)的特点，对十字花科和其它植物的生物质螯合剂的降低重金属有效性的功能进行研究；通过农艺措施提高十字花科植株中富含巯基(-SH)物质的含量；利用化学沉淀，氧化还原的原理，筛选重金属钝化剂，利用颗粒细化(纳米级)增加重金属钝化剂的效果；利用重金属植物吸收过程中的离子拮抗原理和离子吸收过程控制原理，研究农业常用化学物质对重金属吸收的阻抗作用，最终提出多功能复合型的重金属阻抗剂。

Claims (8)

1.一种钝化修复土壤镉污染的方法，其特征在于，向有镉染污的土壤中加入富含巯基的植物残体。

2.根据权利要求1所述的一种钝化修复土壤镉污染的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，将富含巯基的植物残体粉碎，使残体长度小于10厘米；

第二步，将第一步所得植物残体加入待修复的土壤中并混合，所加比例为1重量份的待修复土壤加入至少相当于0.001重量份的新鲜植物残体的植物残体；

第三步，使加入植物残体的土壤的含水量在20-40天内保持在最大田间持水量的50％以上。

3.根据权利要求1或2所述的一种钝化修复土壤镉污染的方法，其特征在于，所述的富含巯基的植物残体为十字花科植物残体或百禾科植物残体。

4.根据权利要求2所述的一种钝化修复土壤镉污染的方法，其特征在于，所述的残体的长度为小于1厘米。

5.根据权利要求2所述的一种钝化修复土壤镉污染的方法，其特征在于，所述待修复的土壤与植物残体的比例为1重量份的土壤加入相当于0.001-0.02重量份新鲜植物残体的植物残体。

6.根据权利要求2所述的一种钝化修复土壤镉污染的方法，其特征在于，所述土壤的含水量保持在最大田间持水量的70-90％。

7.根据权利要求3所述的一种钝化修复土壤镉污染的方法，其特征在于，所述的十字花科植物残体为油菜残体、芥菜残体或甘蓝残体，所述百合科植物残体为苗蒜残体、大葱残体或韭菜残体。

8.根据权利要求3所述的一种钝化修复土壤镉污染的方法，其特征在于，所述的富含巯基的植物残体为植物新鲜残体、植物风干残体或植物烘干残体。

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